Πλεονεκτική παραγωγή υδρογελών μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια ιδιαίτερα αποτελεσματική, αξιόπιστη και απλή τεχνική για την παρασκευή υδρογελών υψηλών επιδόσεων. Αυτές οι υδρογέλες προσφέρουν εξαιρετικές ιδιότητες υλικού, όπως ικανότητα απορρόφησης, ιξωδοελαστικότητα, μηχανική αντοχή, μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη και λειτουργίες αυτοΐασης.

Πολυμερισμός και διασπορά με υπερήχους για την παραγωγή υδρογελών

Οι υδρογέλες είναι υδρόφιλα, τρισδιάστατα πολυμερικά δίκτυα που μπορούν να απορροφούν μεγάλες ποσότητες νερού ή υγρών. Οι υδρογέλες παρουσιάζουν εξαιρετική ικανότητα διόγκωσης. Στα συνήθη δομικά συστατικά των υδρογελών περιλαμβάνονται η πολυβινυλική αλκοόλη, η πολυαιθυλενογλυκόλη, το πολυακρυλικό νάτριο, τα ακρυλικά πολυμερή, τα καρβομερή, οι πολυσακχαρίτες ή τα πολυπεπτίδια με μεγάλο αριθμό υδρόφιλων ομάδων, καθώς και φυσικές πρωτεΐνες όπως το κολλαγόνο, η ζελατίνη και το ινώδες.
Οι λεγόμενες υβριδικές υδρογέλες αποτελούνται από διάφορα υλικά που διαφέρουν χημικά, λειτουργικά και μορφολογικά, όπως πρωτεΐνες, πεπτίδια ή νανοδομές / μικροδομές.
Η διασπορά με υπερήχους χρησιμοποιείται ευρέως ως ιδιαίτερα αποδοτική και αξιόπιστη τεχνική για την ομοιογενή ενσωμάτωση νανοϋλικών, όπως νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), νανοκρυστάλλων κυτταρίνης, νανοϊνών χιτίνης, διοξειδίου του τιτανίου, νανοσωματιδίων αργύρου, πρωτεϊνών και άλλων μικροδομών ή νανοδομών, στην πολυμερική μήτρα των υδρογελών. Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους βασικό εργαλείο για την παραγωγή υδρογελών υψηλών επιδόσεων με εξαιρετικές ιδιότητες.

Τι δείχνει η έρευνα – Παρασκευή υδρογελών με υπερήχους

Πρώτον, η κατεργασία με υπερήχους προάγει τις αντιδράσεις πολυμερισμού και διασταύρωσης κατά τον σχηματισμό υδρογελών.
Δεύτερον, η κατεργασία με υπερήχους έχει αποδειχθεί αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική διασποράς για την παραγωγή υδρογελών και νανοσύνθετων υδρογελών.

Διασταύρωση και πολυμερισμός υδρογελών με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους υποβοηθά τον σχηματισμό πολυμερικών δικτύων κατά τη σύνθεση υδρογελών μέσω της δημιουργίας ελεύθερων ριζών. Τα ισχυρά κύματα υπερήχων δημιουργούν ακουστική σπηλαίωση, η οποία προκαλεί ισχυρές δυνάμεις διάτμησης, μοριακή διάτμηση και σχηματισμό ελεύθερων ριζών.

Οι Cass et al. (2010) παρασκεύασαν διάφορες «ακρυλικές υδρογέλες μέσω πολυμερισμού υδατοδιαλυτών μονομερών και μακρομονομερών με υπερήχους. Χρησιμοποιήθηκαν υπέρηχοι για τη δημιουργία ριζών έναρξης σε ιξώδη υδατικά διαλύματα μονομερών, με τη χρήση των προσθέτων γλυκερόλη, σορβιτόλη ή γλυκόζη σε ανοικτό σύστημα στους 37°C. Τα υδατοδιαλυτά πρόσθετα ήταν απαραίτητα για την παραγωγή των υδρογελών, με τη γλυκερόλη να είναι η αποτελεσματικότερη. Οι υδρογέλες παρασκευάστηκαν από τα μονομερή μεθακρυλικός 2-υδροξυαιθυλεστέρας, διμεθακρυλικός εστέρας της πολυ(αιθυλενογλυκόλης), μεθακρυλική δεξτράνη, ακρυλικό οξύ/διμεθακρυλικός εστέρας της αιθυλενογλυκόλης και ακρυλαμίδιο/δισακρυλαμίδιο.» [Cass et al. 2010] Η εφαρμογή υπερήχων με τη χρήση συσκευής υπερήχων με καθετήρα διαπιστώθηκε ότι αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο για τον πολυμερισμό υδατοδιαλυτών βινυλικών μονομερών και την επακόλουθη παρασκευή υδρογελών. Ο πολυμερισμός που εκκινείται με υπερήχους πραγματοποιείται γρήγορα απουσία χημικού εκκινητή.
Βρείτε εδώ το πλήρες πρωτόκολλο της μελέτης!
 

Διασπορά πυρογενούς διοξειδίου του πυριτίου με υπερήχους: Ο ομογενοποιητής υπερήχων Hielscher UP400S διασπείρει τη σκόνη διοξειδίου του πυριτίου γρήγορα και αποτελεσματικά σε μεμονωμένα νανοσωματίδια.

Διαβάστε περισσότερα για τη σύνθεση νανοσύνθετων υδρογελών και νανογελών με υπερήχους!

Η κατεργασία με υπερήχους είναι συμβατή με όλα τα είδη πολυμερών και βιοπολυμερών και επιτρέπει την ενίσχυση υβριδικών υδρογελών με νανοδομημένα υλικά όπως νανοσωματίδια, νανοκρύσταλλοι ή νανοΐνες. Η ενίσχυση των υδρογελών με διάφορα νανοϋλικά επιτρέπει την τροποποίηση και τον έλεγχο των φυσικοχημικών και ρεομηχανικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων υδρογελών, καθώς οι μικροδομές αποτελούν τον βασικό παράγοντα που καθορίζει τις τελικές ιδιότητες του υλικού.

Παρασκευή υδρογέλης πολυ(ακρυλαμιδίου-co-ιτακονικού οξέος) – MWCNT με κατεργασία με υπερήχους

Οι Mohammadinezhada et al. (2018) παρήγαγαν επιτυχώς ένα υπεραπορροφητικό σύνθετο υλικό υδρογέλης που περιέχει πολυ(ακρυλαμίδιο-co-ιτακονικό οξύ) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs). Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τη συσκευή υπερήχων της Hielscher UP200S. Η σταθερότητα της υδρογέλης αυξήθηκε με την αύξηση των αναλογιών των MWCNTs, γεγονός που ενδέχεται να αποδίδεται στον υδρόφοβο χαρακτήρα των MWCNTs, καθώς και στην αύξηση της πυκνότητας του παράγοντα διασταύρωσης. Η ικανότητα συγκράτησης νερού (WRC) της υδρογέλης P(AAm-co-IA) αυξήθηκε επίσης παρουσία MWCNT (10 wt%). Σε αυτή τη μελέτη, οι επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους αξιολογήθηκαν ως ανώτερες όσον αφορά την ομοιόμορφη κατανομή των νανοσωλήνων άνθρακα στην επιφάνεια του πολυμερούς. Οι MWCNTs παρέμειναν ακέραιοι χωρίς καμία διατάραξη της πολυμερικής δομής. Επιπλέον, αυξήθηκαν η αντοχή του παραγόμενου νανοσύνθετου υλικού, η ικανότητά του να συγκρατεί νερό και η απορρόφηση άλλων διαλυτών ουσιών, όπως ο Pb (II). Η κατεργασία με υπερήχους διέσπασε τον εκκινητή και διέσπειρε τους MWCNTs ως εξαιρετικό πληρωτικό υλικό στις πολυμερικές αλυσίδες υπό αυξανόμενη θερμοκρασία.
Οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι αυτές οι «συνθήκες αντίδρασης δεν μπορούν να επιτευχθούν με συμβατικές μεθόδους, ούτε μπορούν να επιτευχθούν η ομοιογένεια και η καλή διασπορά των σωματιδίων στη μήτρα. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους διαχωρίζει τα νανοσωματίδια σε μεμονωμένα σωματίδια, ενώ η ανάδευση δεν μπορεί να το επιτύχει αυτό. Ένας άλλος μηχανισμός μείωσης του μεγέθους είναι η επίδραση ισχυρών ακουστικών κυμάτων στους δευτερεύοντες δεσμούς, όπως οι δεσμοί υδρογόνου. Αυτή η ακτινοβόληση διασπά τους δεσμούς υδρογόνου των σωματιδίων και, στη συνέχεια, διαχωρίζει τα συσσωματωμένα σωματίδια και αυξάνει τον αριθμό των ελεύθερων προσροφητικών ομάδων, όπως οι -OH, και την προσβασιμότητά τους. Έτσι, αυτό το σημαντικό φαινόμενο καθιστά την κατεργασία με υπερήχους ανώτερη μέθοδο σε σύγκριση με άλλες, όπως η μαγνητική ανάδευση που εφαρμόζεται στη βιβλιογραφία.» [Mohammadinezhada et al., 2018]

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη σύνθεση υδρογελών

Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει εξοπλισμό υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη σύνθεση υδρογελών. Από μικρές και μεσαίου μεγέθους συσκευές υπερήχων για έρευνα και ανάπτυξη και πιλοτικές εφαρμογές έως βιομηχανικά συστήματα για την εμπορική παραγωγή υδρογελών σε συνεχή λειτουργία, η Hielscher Ultrasonics καλύπτει τις απαιτήσεις της διεργασίας σας.
Οι συσκευές υπερήχων βιομηχανικών προδιαγραφών μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης, τα οποία επιτρέπουν αξιόπιστες αντιδράσεις διασταύρωσης και πολυμερισμού και ομοιόμορφη διασπορά νανοσωματιδίων. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7/365. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων κατά παραγγελία.

Ζητήστε μας σήμερα πρόσθετες τεχνικές πληροφορίες, τιμές και μια μη δεσμευτική προσφορά. Το προσωπικό μας, με την πολυετή εμπειρία του, θα χαρεί να σας συμβουλεύσει!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Το SonoStation της Hielscher διευκολύνει την επεξεργασία παρτίδων μεσαίου μεγέθους με υπερήχους μέσω αντιδραστήρα κυψέλης ροής. Το συμπαγές SonoStation συνδυάζει δεξαμενή 38 λίτρων με ανάδευση και ρυθμιζόμενη αντλία προοδευτικής κοιλότητας, η οποία μπορεί να τροφοδοτεί έως και 3 λίτρα ανά λεπτό σε έναν ή δύο αντιδραστήρες υπερήχων με κυψέλη ροής.